Тема: «асинхронные машины. Основы теории асинхронных машин при неподвижном роторе»

 

§1. Принцип действия асинхронной машины.

       Электромагнитная схема асинхронной машины отличается от схемы трансформатора тем, что первичная обмотка размещена на неподвижном статоре 1, а вторичная на вращающемся роторе 3.

Рис. Электромагнитная схема асинхронной машины.

 

       Между ротором и статором имеется воздушный зазор, величину которого для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой 3^хфазную обмотку, катушки которой размещены равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора А – Х, В – У и С – Z соединяют в звезду или треугольник и подключают к сети 3^хфазного тока. Обмотку ротора 4 в такой машине выполняют 3^хфазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы ее а – х, в – у и с – z в простейшем случае замыкаются накоротко.

       При питании 3^хфазным током обмотки статора создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная)

n₁=60f₁/р.

       Если ротор неподвижен или вращается с частотой, меньшей n₁, то вращающееся поле индуктирует в проводниках ротора э.д.с. и по ним проходит ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком, создает электромагнитный момент. На рисунке показано направление э.д.с., индуктированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф по часовой стрелке (согласно правилу правой руки). Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуктируемой э.д.с., поэтому крестики и точки показывают одновременно и направление активной составляющей тока.

       На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усиление F_рез, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения n₂ соответствует равенству электромагнитного момента М тормозному, приложенному к валу от приводимого во вращение механизма, и внутренних сил трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным и, очевидно, при нем 0≤n₂<n₁.

       Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:

S = (n₁-n₂)/n₁·100, %

В двигательном режиме 1≥S>0.

В генераторном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает ее в электрическую и отдает в сеть. В этом режиме n₂>n₁, а S<0.

Если сделать так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях, то э.д.с. и активная составляющая тока в проводниках ротора будут направлены также как в двигательном режиме (машина получает из сети активную мощность). Однако в этом случае электромагнитный момент М направлен против вращения ротора, т.е. является тормозящим.

Этот режим называют электромагнитным торможением. n₂<0 (по отношению к направлению магнитного поля), а S>1.

 

§2. Двигатели асинхронные 3^хфазные единой серии 4А.

       3^хфазные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели единой серии 4А имеют улучшенные технико-экономические параметры и постепенно заменяют старые серии А, А2 и А3.

       Единая серия 4А охватывает диапазон мощностей от 0,06 до 400 кВт. Обозначение типа двигателя в порядке следования букв и цифр расшифровывается следующим образом: 4 – номер серии; А – вид двигателя (асинхронный); исполнение двигателя по способу защиты (Н – защищенный, без нее – закрытые обдуваемые); исполнение двигателя по материалу станины и щитов (А – алюминиевые, Х – чугун с алюминием, нет – чугун или сталь); установочный размер по дине станины, условный (буквы S,M или L); длина сердечника статора (А или В); число полюсов (2,4,6,8,10,12); климатическое исполнение и категории размещения (У3, У2, Т2 или Т1).

       Модификации двигателей серии 4А:

• двигатели с повышенным пусковым моментом (с двойной клеткой на роторе), в обозначении после серии 4А вводится буква Р;
• двигатели с повышенным скольжением (с клеткой повышенного сопротивления), в обозначении после серии 4А вводится буква С;
• многоскоростные двигатели, в обозначении число полюсов указывается дробью.

Пример: 4А50А2У3 – закрытый обдуваемый;

          4АН160S2У3 – защищенный;

          4АР160S6У3 – с повышенным пусковым моментом.

 

§3. Асинхронная машина пи заторможенном роторе.

       Режимы работы машины при заторможенном роторе наиболее просты для исследования, т.к. при этом обмотки статора и ротора пересекаются магнитным потоком с одной и той же скоростью, т.е. частоты э.д.с. статора f₁ и ротора f₂ равны между собой. Если считать, что вращающееся магнитное поле близко к круговому и, кроме того, высшие гармоники э.д.с. подавляются из-за распределения обмоток в нескольких пазах и укорочения шага, то при анализе можно учитывать только первые гармоники э.д.с. статра и ротора соответственно.

Е₁=4,44f₁·ω₁·k_об1·Ф_m,

E₂=4,44f₁·ω₂k_об2Ф_m.

Отношение э.д.с.

Е₁/Е₂= ω₁·k_об1/(ω₂k_об2)=k_Е

называют коэффициентом трансформации э.д.с. Для основных гармоник обмоточные коэффициенты обычно равны 0,96... 0,90 и поэтому в первом приближении можно считать

k_E≈

аналогично тому, как это имеет место в трансформаторе.

           

3.1. Холостой ход.

       Если обмотка ротора разомкнута, ротор неподвижен (n₂=0), а статор включен на сеть с напряжением U₁ и частотой f₁, то в этом случае асинхронная машина представляет собой трансформатор при холостом ходе. Первичной обмоткой является статор машины, а вторичной – неподвижный ротор. Под действием напряжения U₁ по обмотке статора протекает ток холостого хода I₀. Образуемая этим током намагничивающая сила F₁ создает поток, одна часть которого Ф_m сцеплена с обмотками обеих частей машины, а другая часть Ф_δ1 – потоком рассеяния. Если р – число пар полюсов машины, то частота вращения намагничивающей силы F₁ и соответственно потока Ф_m

n₁= , с^-1

       Основной поток при неподвижном двигателе создает в обмотках статора и ротора э.д.с. Е₁ и Е₂. Поток рассеяния Ф_δ1 создает в обмотке статора э.д.с. рассеяния Е_δ1, причем

Е_δ1= - jI₀x₁,

где х₁ – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора.

       Кроме того, обмотка статора имеет активное сопротивление r₁, учитывая его действие в форме падения напряжения I₀r₁, мы можем написать уравнение напряжений первичной обмотки асинхронной машины в том же виде, что и для трансформаторов

,

или

Ток холостого хода I₀ имеет две составляющие (так же как ток холостого хода реального трансформатора) – намагничивающую с действующим значением I_0μ, создающую основной магнитный поток Ф_m и совпадающую с ним по фазе, и активную составляющую I_0а,находящуюся в квадратуре с первой составляющей

I₀=

Обычно ток I_0а<10% от тока I₀, поэтому он оказывает ничтожное влияние на величину тока холостого хода. Равным образом невелик и угол α, на который поток Ф_m отстает от тока I₀. Соответственно уравнению э.д.с. можно построить векторную диаграмму холостого хода машины.

Проведем вектор основного магнитного потока Ф_m в положительном направлении оси абсцисс. Вектор э.д.с. Е₁ отстает от вектора потока Ф_m на 90°, по фазе с Е₁ совпадает вектор э.д.с. Е₂ в роторе. Вектор тока I₀ строится по его намагничивающей и активной составляющим. Вектор  отстает от вектора тока на 90°; вектор I₀r₁ совпадает по фазе с током I₀. Чтобы построить вектор напряжения U₁ нужно геометрически сложить составляющие напряжения – Е₁, I₀r₁ и jI₀x₁, каждая из которых равна соответствующей э.д.с. по величине.

Рис. Векторная диаграмма холостого хода асинхронной машины.

 

Величина тока холостого хода I₀ в асинхронной машине из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе (20-40% от номинального тока по сравнению с 2-5% у трансформатора). Относительно большой ток холостого хода в машинах является одним из главных недостатков, т.к. вызывает увеличение потерь в обмотке статора (особенно в небольших машинах) и уменьшение коэффициента мощности машины. Для уменьшения I₀ конструкторы стараются уменьшить зазор (Эл.двигатель 5 кВт зазор 0,2... 0,3 мм).

 

3.2. Работа машины под нагрузкой.

Асинхронная машина может быть рассмотрена как трансформатор под нагрузкой, если в цепь обмотки ротора включить сопротивление нагрузки Z_н.

Анализ работы машины, так же как и трансформатора, основывается на уравнениях э.д.с. и м.д.с. Векторная диаграмма асинхронной машины с заторможенным ротором аналогична диаграмме приведенного трансформатора и определяется формально теми же основными уравнениями:

       Построим векторную диаграмму при преобладании индуктивной нагрузки.

       Вектор основного потока Ф_m проводим в положительном направлении оси абсцисс. Для создания этого потока необходим намагничивающий ток I₀, вектор которого несколько опережает вектор потока Ф_m. Создаваемые потоком Ф_m э.д.с. Е₁ и Е₂=Е₁ отстают от него на 90°. Ток  отстает от э.д.с.  на угол ψ₂, определяемый родом нагрузки. Согласно уравнению м.д.с. ток I₁=- +I₀. Чтобы построить вектор , можно использовать уравнение э.д.с. (а). В этом случае нужно геометрически сложить э.д.с. , э.д.с. рассеяния  и э.д.с. сопротивления - . Можно сделать и иначе, используя уравнение для определения э.д.с.  (б). Тогда геометрически складываются напряжение  и падение напряжения на вторичной обмотке  и .

На рисунке показаны синусоиды намагничивающих сил F₁, F₂, F_m неподвижной асинхронной машины при нагрузке, вращающиеся в одинаковом направлении и с одинаковой частотой n₁=f₁/p. При этом синусоида F₂ сдвинута относительно синусоиды F₁ на такой угол, что сумма намагничивающих сил F₁ и F₂ дает намагничивающую силу F_m, необходимую для создания основного магнитного потока Ф_m.

 

3.3. Схема замещения.

       Эта схема аналогична схеме замещения трансформатора, но параметры ее определяются другими коэффициентами приведения.

Рис. Схема замещения асинхронной машины при заторможенном роторе.

 

       Полагая , из условия равенства мощностей реального и приведенного роторов m₂I₂E₂=m₁  находим

Величину k_i=  называют коэффициентом приведения (трансформации) токов.

Из равенства электрических потерь  получаем

       Из равенства относительных реактивных падений напряжений  находим

       Величину k_a=k_Ek_i называют коэффициентом приведения сопротивлений. При определении коэффициентов k_E, k_i и k_a для короткозамкнутой обмотки типа беличьей клетки принимают ω₂=0,5; m₂=z₂ и k_об2=1.

       Вывод. Таким образом, теория работы асинхронной машины с заторможенным ротором в основном подобна теории работы трансформатора. Однако, использование асинхронной машины в качестве трансформатора обычно нецелесообразно, т.к. она значительно дороже трансформатора и имеет худшие эксплуатационные характеристики (большой ток холостого хода, меньший к.п.д.). Только в некоторых специальных устройствах асинхронную машину используют в режиме трансформатора, т.е. при заторможенном роторе (поворотные трансформаторы, фазорегулятор и индукционный регулятор).